723

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

А.В. Мащенко, А.Б. Пономарев, Е.Н. Сычкина

СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ И МЕХАНИКИ СКАЛЬНЫХ ПОРОД

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2014

УДК 624.15+624.131 М37

Рецензенты:

канд. техн. наук, доцент О.А. Маковецкий (ОАО «Нью-Граунд»);

канд. техн. наук, доцент В.И. Клевеко (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Мащенко, А.В.

М37 Специальные разделы механики грунтов и механики скальных грунтов : учеб. пособие / А.В. Мащенко, А.Б. Пономарев, Е.Н. Сычкина. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-

та, 2014. – 176 с.

ISBN 978-5-398-01205-7

Даны общие сведения о специальных разделах механики грунтов и механики скальных пород. Рассмотрены вопросы, связанные с особенностью деформирования грунтов, основные расчетные модели грунтов, численные методы расчета грунтов, а также сведения о структурно-неустойчивых грунтах, их физических, механических и физико-химических свойствах, реологических процессах в грунтах, динамических свойствах грунтов, сведения о горных породах и скальных массивах и механике скальных грунтов.

Учебное пособие соответствует требованиям ФГОС ВПО направления подготовки 270800.68 «Строительство». Предназначено для магистров, обучающихся по программе «Подземное и городское строительство», студентов строительных специальностей высших учебных заведений, а также может быть полезно аспирантам и слушателям курсов повышения квалификации строительно-проектных организаций.

УДК 624.15+624.131

ВВЕДЕНИЕ

Механика грунтов, так же как и инженерная геология, относится кстроительной дисциплине. Предметом изучения механики грунтов являются природные материалы – грунты, а также процессы их взаимодействия со зданиями и сооружениями. На каждой строительной площадке грунты уникальны, они имеют различные свойства, состав, строениеигенезис, поэтому всегрунтытребуюттщательногоизучения.

Под нагрузкой поведение грунтов осложняется различными процессами. Для исследования таких процессов деформирования и разрушения грунтов разрабатываются различные теоретические и экспериментальные методы изучения грунтов.

По сравнению с конструкционными материалами прочность грунтов во много раз меньше, а деформируемость, наоборот, больше. Нерациональное использование несущей способности грунтов, как правило, приводит к высокой стоимости строительства, а неправильный анализ свойств грунтов – к разрушению зданий при эксплуатации. Отсюда следует, что необходимо правильно и качественно исследовать механические свойства грунтовых оснований, а также найти наилучший конструктивный метод передачи нагрузок на грунт от зданий и сооружений.

Основные понятия и определения. Основание – это массив грун-

та, на который опирается здание или сооружение, передает на него свои нагрузки, деформируя его. При больших деформациях основания деформируется и сооружение, что запрещает его эксплуатацию.

Естественные основания сложены природными грунтами, свойства которых не были специально улучшены и изменены. Искусственные основания сложены грунтами, свойства которых были специально изменены для улучшения механических и физических характеристик грунтов, а также грунтами, искусственно уложенными в результате отсыпки.

Фундамент – это подземная или подводная часть здания, которая служит для передачи и равномерного распределения усилий от него на грунты основания и уменьшает величину давления до требуемых значений.

Грунты также рассматривают как среду, которая вмещает инженерные сооружения. К таким сооружениям относятся заглубленные

6

и подземные сооружения, подпорные стенки, коллекторы и трубопроводы. При проектировании таких сооружений нужно учитывать и воздействие грунта на них.

Есть ряд сооружений, при возведении которых грунт полностью или в большей мере используется как строительный материал, при этом он взаимодействует с естественными основаниями. К таким сооружениямможноотнестидамбы, земляныеплотины, дорожныенасыпи.

Цель, состав и задачи курса. Механика грунтов изучает физические и механические свойства грунтов, методы расчета напряженного состояния и деформаций оснований, оценки устойчивости грунтовых массивов, давления грунта на сооружения.

Задачей механики грунтов является анализ состояния в данный момент и прогноз поведения и механических процессов грунтов при эксплуатации зданий и сооружений.

К разделам механики грунтов относятся:

•механика мерзлых грунтов,

•механика слабых грунтов,

•механика скальных грунтов,

•реология грунтов и др.

Связь с другими науками. В первую очередь дисциплина «Механика грунтов» тесно связана с «Инженерной геологией», которая изучает верхние слои литосферы и их взаимодействие с инженерными сооружениями, и соответственно с «Общей геологией», которая изучает строение земной коры и горных пород.

Кроме того, дисциплина «Механика грунтов» связана с рядом механико-математических дисциплин. К ним относятся:

•сопротивление материалов;

•теория упругости;

•строительная механика;

•теория пластичности;

•физика;

•гидравлика;

•методы математического анализа и др.

Исторический очерк. Первым источником по фундаментостроениювнашейстране был курс «Основанияифундаменты». Онбылиздан в Петербурге в 1869 г. профессором, военным инженером В.М. Карловичем. Позднее в 1891 г. он также издал «Курс строительной механики».

7

Профессором В.И. Курдюмовым был изданширокоизвестный«Краткий курсоснованийифундаментов» (в1891, 1902 и1916 гг.).

В1925 г. в России вышла первая фундаментальная книга по механике грунтов, переведенная с английского под названием «Строительная механика грунтов». Автор – К. Терцаги. В 1933 г. книга была переиздана под редакцией и с примечаниями Н.М. Герсеванова.

В1934 г. в России появляется первый учебник «Основы механики грунтов», который написал профессор Н.А. Цытович. Н.А. Цытович неоднократно дополнял и переиздавал свой учебник в 1940, 1951, 1963 гг. А в последующие годы (1969, 1973, 1979 и 1983 гг.) выходил его краткий курс «Механика грунтов».

Разделы по курсу механики грунтов также изложены в учебниках С.Б. Ухова и Б.И. Долматова «Механика грунтов, основания и фундаменты», изданных в 1988 и 1994 гг.

Механика мерзлых грунтов. Механика мерзлых грунтов является теоретической основой инженерного мерзлотоведения и геокриологии. Изучает явления и процессы, которые происходят в замерзающих, мерзлых, вечномерзлых и оттаивающих грунтах, а также изучает механические свойства этих грунтов под влиянием внешних воздействий, прочность, устойчивость и напряженно-деформированное взаимодействие сооружений с вечномерзлыми грунтами.

Появление механики мерзлых грунтов было вызвано проблемами строительства в условиях Севера и Северо-Востока страны, а именно при строительстве дорог, гражданских, промышленных и гидротехнических сооружений. Еще в 1927 г. ученые впервые высказали мнение

онеобходимости изучения механических свойств мерзлых и вечномерзлых грунтов. За последующее десятилетие были проведены экспериментальные исследования и получены первые сведения о сопротивлении грунтов сжатию, растяжению, кручению и т.д. На основе

этих данных в 1937 г. была издана монография Н.А. Цытовича и Н.И. Сумгина «Основания механики мерзлых грунтов». В дальнейшем в результате активного изучения мерзлых грунтов, в свет выходят монографии по исследованию свойств льда, по общему мерзлотоведению, течению мерзлых грунтов под нагрузкой, а также по исследованию выпирания грунтов, пучения и оттаивания грунтов.

Механика слабых грунтов. К слабым или структурно-неустой- чивым грунтам относят помимо мерзлых грунтов еще и просадочные

8

лессовые; водонасыщенные глинистые; засоленные и заторфованные; насыпные и закарстованные грунты. Такие грунты требуют применения особых методов строительства, так как в определенных условиях они способны терять свои прочностные свойства, увеличивать сжимаемость и проявлять просадочные деформации.

Исследованиями свойств слабых грунтов занимались такие ученые, как Ю.М. Абелев, В.П. Ананьев, В.И. Крутов, А.А. Мустофаев, Ф.П. Винокуров, Б.И. Долматов, П.А. Коновалов, С.Я. Кушнир, Н.Н. Морарескул, Е.А. Сорочан.

Механика скальных грунтов. Механика скальных грунтов изучает механические свойства скальных грунтов и массивов, а также специальные методы проектирования и строительства на них сооружений. Скальные грунты обладают высокой прочностью, низкой деформируемостью и повышенной трещиноватостью. Активное изучение механических свойств скальных грунтов началось в 60-х гг. XX в., в то время, когда началось активное строительство в горных районах, а именно строительство плотин. К основным ученым, изучающим свойства скальных грунтов, можно отнести А.Г. Бабаяна, В.Н. Бурлакова, С.Б. Ухова, В. Виттке, М.Г. Зерцалова, С.Е. Могилевскую, В.М. Мосткова, Н.В. Дмитриева и др.

Реология грунтов. Реология изучает такие свойства грунтов, как ползучесть, вязкость, релаксация грунтов, т.е. течение вязких веществ.

в XVI в. благодаря открытиям Ньютона, Стокса и Пуазейля. В конце XIX в. в химической промышленности создаются искусственные материалы – полимеры, пластмассы, целлюлоза. В связи с этим появляется большое количество исследований в области реологии, основными из которых стали работы Фогейта и Кельвина. Становление реологии как самостоятельной науки происходит благодаря Бингаму, который в 1922 г. выпускает книгу «Текучесть и пластичность», а в 1928 г. организовывает реологическое общество. В России исследованиями в области реологии в основном занимались М.П. Воларович, П.А. Ребиндер и С.С. Вялов.

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ

Массивы грунтов, которые являются основаниями сооружений, формируются в различных геолого-географических условиях, они постоянно испытывают воздействие различных природных процессов.

Процессы, которые протекают в грунтах, могут изменять свойства и состояние грунтов, и протекают крайне медленно. При строительстве зданий и сооружений состояние грунтовых оснований нарушается и возникают новые процессы. Состояние и свойства грунтовых оснований могут меняться и при эксплуатации. Отсюда следует, что грунты обладают особыми свойствами и постоянно испытывают различные воздействия, которые изменяют их свойства и состояние.

Общим методом механики грунтов является решение краевых задач, т.е. совместное решение уравнений равновесия, геометрических соотношений и получаемых из них уравнений неразрывности и физических уравнений при заданных краевых условиях. Решения механики грунтов могут быть достаточно сложными, а могут быть простыми, все зависит от сложности задачи, которая определяется классом ответственности сооружения, особенностью деформирования грунтов. Также одной из основных задач механики грунтов является правильный выбор вида уравнений состояния для конкретных условий.

При определении напряженно-деформированного состояния грунта часто пользуются понятиями главных напряжений и главных деформаций, которые не зависят от выбора положения осей коорди-

нат x, y, z. Главные нормальные напряжения – это нормальные напря-

жения, которые отнесены к главным площадкам и на которых касательные напряжения равны нулю. В данном случае всегда принимается, что σ1 ≥ σ2 ≥ σ3. Если определить главные нормальные напряже-

ния, то можно определить касательные напряжения на площадках, где они достигают максимальных значений [1].

10